Athena：打造高效能 6 層火箭航電 PCB

先進火箭技術需要飛行電腦在緊湊而可靠的硬件平台上整合運算、感測、通訊、電源管理及控制功能。NotARoomba 的開源飛行電腦專案 Athena 透過三 MCU 架構、冗餘感測、多個通訊介面、專用控制通道及 6 層 PCB，滿足這些要求。

Athena 電路板尺寸為 80 × 140 mm，整合三個 STM32 MCU、三個 IMU、氣壓計、GNSS、LoRa、Bluetooth、CAN、USB、快閃記憶體、SD 卡介面及多項電源管理功能。專案使用 EasyEDA 設計，並由 JLCPCB 負責 PCB 製造及組裝。本案例研究探討設計如何以多層 PCB 架構結合密集功能，以及專業 PCB 製造如何支援開源設計轉化為實體硬件。

專案亮點

Athena 是高效能嵌入式 PCB 的優秀範例，多個功能模組需要在相對緊湊的電路板上共存。設計沒有把運算、感測、通訊、電源及控制視為彼此孤立的電路，而是將它們整合於同一個多層平台。

Athena 為何採用 6 層 PCB

Athena 專案將三個 MCU 與多個感測器、通訊模組、儲存裝置、電源轉換及專用控制通道結合。要在 80 × 140 mm 的電路板上容納這些功能，需要比簡單兩層或四層設計更大的佈線容量及更有組織的層結構。

更大的佈線容量

6 層 PCB 為連接三個處理單元、感測器、通訊介面、儲存裝置及控制電路提供額外佈線資源。增加的層數有助將連線分散到整塊電路板，避免所有訊號擠在少量而擁擠的佈線層上。對於具備多個數碼介面及功能模組的設計，額外佈線容量有助保持連線有序，讓佈局更易管理。

有組織的電源分配

Athena 使用 7.4–12 V 鋰聚合物電池輸入，並產生穩壓 5 V 及 3.3 V 電源軌。設計亦包括用於電池充電、USB-C 供電及伺服器電源的專用電源管理器件。多層架構可提供更有條理的電源分配，並更清晰地分隔電源與訊號佈線，協助設計師管理不同功能區域之間的關係。

更佳的訊號規劃

飛行電腦包含多個高速數碼介面及多條感測器連線。多層 PCB 可在更多層上有序安排訊號佈線，同時在各佈線區域之間維持參考結構。隨著設計日益複雜，這有助規劃訊號路徑並減少不必要的佈線擁塞。

緊湊的功能整合

這塊 80 × 140 mm 的電路板在同一硬件平台整合運算、感測、通訊、儲存、電源及控制功能。採用六層讓設計可更自由地高效安排各項功能，同時保持整體電路板尺寸緊湊。

JLCPCB 支援高密度及混合訊號設計的 6 層 PCB 製造，適用項目可選擇阻抗控制及 盤中孔（Via-in-Pad） 等方案。這些是適用專案可選的製造能力；除非專案檔案確認，否則不應解讀為 Athena 實際採用的特定工藝。

用於分散式處理的三 MCU 架構

Athena 的其中一項核心特色是三 MCU 架構。專案沒有把所有任務交給單一微控制器，而是將處理職責分配到三個 STM32 器件，清晰劃分感測器處理、遙測與儲存，以及控制功能。

Athena 的其中一項核心特色是三 MCU 架構。

MPU 負責感測器相關運算及 Kalman 濾波，TPU 管理通訊與資料儲存，SPU 則專責火箭點火（pyro）及 PWM 功能。這種分工將多個獨立處理模組置於同一塊 PCB 上，因此有序的元件擺放與佈線更為重要。

Athena 亦提供六個 pyro 通道及六個 PWM 通道，其中兩個 PWM 通道用於推力向量控制（TVC），四個用於翼面控制。這些專用介面為 PCB 佈局增加了另一層功能要求，因為控制訊號及其相關電源、介面電路必須與運算及感測區域共存。

冗餘感測器打造更強大的飛行電腦

可靠的飛行控制硬件有賴準確感測。Athena 包含三個 ICM-45686 IMU、LIS2MDLTR 磁力計，以及 ICP-20100 和 BMP388 兩個氣壓計。這個組合讓飛行電腦能取得多個來源的運動、方向及大氣壓力資訊。

Athena 感測器配置

• 3 × ICM-45686 IMU，用於慣性感測
• LIS2MDLTR 磁力計
• ICP-20100 及 BMP388 氣壓計

多個感測器器件連接至處理架構後，PCB 必須容納多條訊號連線，同時讓感測器區域適合佈線及擺放。6 層結構為這些連線提供額外佈線資源，並有助將感測區域與三 MCU 處理系統整合。

專業 PCB 製造流程的目標不只是把所有元件放到電路板上。佈局還必須轉化為可製造的設計，具備適當間距、佈線、鑽孔及層結構。JLCPCB 的多層製造能力正是為支援這類複雜 PCB 架構而設。

6 層 PCB 內的電源管理

Athena 的電源系統需要同時支援飛行電腦的數碼電子元件及控制相關功能。專案接受 7.4–12 V 鋰聚合物電池輸入，並包括用於充電、USB-C PD、伺服器電源轉換及穩壓低電壓電源軌的專用器件。

多個電源管理模組令電源分配成為 PCB 架構的重要部分。充電器、USB-C 供電控制器、伺服器降壓轉換器及低電壓穩壓器各有不同職責，因此其擺放及互連需要與電路板其他部分一併考慮。

在多層 PCB 上，有組織的層疊結構可令電源及接地分配更易安排。JLCPCB 提供 6 層層疊及多層製造方案，適合需要專用電源與訊號佈線結構的設計。

同一 PCB 上的多個通訊介面

Athena 在同一飛行電腦上結合多種通訊技術，讓平台可與外部系統通訊，並連接不同機載功能。通訊部分包括 GNSS、LoRa、Bluetooth、CAN、USB 及專用 UART 通道。

整合這些介面增加了模組與三個 MCU 之間需要佈線的連線數量。因此，設計受惠於具備充足佈線容量的 PCB 架構，同時保持通訊、運算、電源及控制區域之間清晰的關係。

結果是一部高度整合的飛行電腦，而非多塊獨立電路板的集合。這類整合正是多層 PCB 製造常用於具備大量互連功能的先進嵌入式硬件的原因之一。

由設計挑戰到 PCB 製造要求

由設計挑戰到 PCB 製造要求。

上表將 Athena 的設計特點與密集多層 PCB 通常涉及的製造考量連繫起來。這些是一般工程關係，並不表示表中每項製造特性都曾在 Athena 上具體採用。

對開源硬件專案而言，製造準備尤其重要，因為成功的設計必須由 CAD 數據轉化為可重複生產的實體硬件。因此，PCB 製造商需要支援所需層數、材料、製造公差及組裝流程，並維持生產一致性。

由 PCB 設計到製成硬件

Athena 使用 EasyEDA 設計，專案並列明由 JLCPCB 負責 PCB 製造及組裝。這個專案實際展示開源 PCB 設計如何由原理圖及佈局工作走向實體硬件。

6 層 PCB 製造

JLCPCB 支援 6 層 PCB 製造，提供適合高密度、高速、混合訊號及其他先進應用的多層層疊方案。目前的 6 層能力包括 FR-4 結構、阻抗控制選項，以及適用設計的盤中孔（Via-in-Pad）工藝。

阻抗控制及先進互連方案

對於需要更嚴格訊號完整性控制的設計，JLCPCB 在支援的多層結構中提供阻抗控制製造方案。適用設計亦可採用盤中孔（Via-in-Pad），協助設計師處理緊湊元件焊盤周圍的佈線密度。這些能力在此作為 JLCPCB 製造選項介紹，並不表示 Athena 電路板具備這些特定特性。

整合硬件的 PCB 組裝

製成電路板準備就緒後，組裝是讓複雜飛行電腦實現的另一重要環節。JLCPCB 提供涵蓋 SMT 及 THT 要求的 PCB 組裝服務，支援多種電路板結構，並具備有助維持生產質量的檢測能力。實際組裝流程取決於專案的元件封裝、電路板結構及生產要求。

讓開源飛行電腦實現

• 運算：三個 STM32 MCU 分擔感測器處理、遙測／儲存及控制職責。
• 感測：多個 IMU、磁力計及氣壓計為飛行電腦提供多元感測輸入。
• 通訊：GNSS、LoRa、Bluetooth、CAN、USB 及 UART 介面將系統連接至外部及機載功能。
• 電源：電池充電、USB-C PD、伺服器電源轉換及穩壓電源軌整合於同一塊 PCB。
• 控制：六個 pyro 通道及六個 PWM 通道支援專用控制功能。

運算：三個 STM32 MCU 分擔感測器處理、遙測／儲存及控制職責。

Athena 的優勢在於整合這些功能。每個模組都有自身要求，但最終產品必須作為一部協調運作的飛行電腦。6 層 PCB 在保持 80 × 140 mm 緊湊外形的同時，提供將這些電路結合的實體平台。

這個專案展示了甚麼

1. 多層 PCB 設計

Athena 展示 6 層 PCB 如何為複雜嵌入式系統提供所需的佈線及層組織資源。設計包括三個 MCU、多個感測器、通訊介面、儲存裝置、電源管理電路及控制通道，說明隨硬件功能增加，層數為何會成為重要的架構考量。

2. 功能整合

Athena 沒有把飛行功能分散到多塊獨立電路板，而是將運算、感測、通訊、電源及控制整合於一塊 PCB。這種做法可簡化整體硬件架構，同時令仔細的元件擺放、佈線及製造準備更加重要。

3. 硬件冗餘

採用多個 IMU 及多個處理單元，反映出為不同功能配置專用硬件資源的設計方式。在先進嵌入式系統中，這種架構分離有助在整塊電路板上組織運算及控制工作負載。

4. 製造準備

專案列明由 JLCPCB 負責製造及組裝，展示由開源 EasyEDA 設計到實體硬件的完整流程。對複雜 PCB 專案而言，具備能力的製造夥伴是把精密佈局轉化為實用組裝產品的重要一環。

Athena 6 層 PCB 常見問題

Athena 6 層 PCB 總結

Athena 是為先進飛行電腦應用而設計的高效能 6 層 PCB 典範。其 80 × 140 mm 電路板整合三個 STM32 MCU、多個感測器、GNSS、LoRa、Bluetooth、CAN、USB、儲存裝置、電源管理，以及專用 pyro 和 PWM 控制通道。

專案亦展示將 PCB 設計決策與製造要求連繫起來的價值。隨著電路板功能及佈線密度增加，規劃完善的多層結構，以及具備能力的 PCB 製造及組裝夥伴變得愈來愈重要。JLCPCB 提供 6 層 PCB 製造、多層加工、阻抗控制選項、盤中孔（Via-in-Pad）能力及 PCB 組裝服務，可支援廣泛的先進 PCB 設計。

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